Die Dichte von Siliziumkarbid

Siliciumcarbid, besser bekannt unter dem Namen Carborundum oder SiC, ist ein hartes keramisches Material mit zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten. Diese vielseitige Substanz dient als Schleifmittel, hat Halbleitereigenschaften mit großer Bandlücke und kann sogar zu keramischen Strukturbauteilen verarbeitet werden.

Die Herstellung umfasst die Reaktion und Pyrolyse von Polysiloxanen unter Druck, das Mahlen in Pulverform, das Sintern zu festen Formen und das anschließende Mahlen für die endgültige Mikrostrukturformung. Jeder Schritt spielt eine wesentliche Rolle bei der Herstellung des endgültigen Werkstoffs, wobei die Ergebnisse je nach den verwendeten Formgebungsverfahren unterschiedlich ausfallen und sich erheblich auf die Mikrostruktur auswirken.

Theoretische Dichte

Die dichte Zusammensetzung von Siliciumcarbid spielt eine Schlüsselrolle bei der Widerstandsfähigkeit gegen chemische, thermische und mechanische Belastungen. Mit seiner überragenden Härte und Wärmeleitfähigkeit ist Siliziumkarbid ein hervorragendes Material für Hochleistungsanwendungen mit hoher Beanspruchung.

Dichtere Materialien sind in der Regel widerstandsfähiger gegen Korrosion und Verschleiß. Darüber hinaus können sie aufgrund ihrer geringen Ausdehnungs-/Schrumpfungsrate Temperaturextremen besser standhalten, was sie ideal für Elektro- und Gassysteme macht.

SiC ist außerdem sehr strahlungsbeständig und hat im Vergleich zu anderen Halbleitern eine ungewöhnlich große Bandlücke, so dass es im Vergleich zu anderen Halbleitern bei viel höheren Temperaturen, Spannungen und Frequenzen arbeiten kann. SiC wird daher in einer Vielzahl von elektronischen und industriellen Anwendungen eingesetzt, darunter in der Energieerzeugung, der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie.

Hohe Dichten von SiC zu erreichen, kann für große Bauteile eine Herausforderung sein. Mit der Technologie der Rampenkompression ist es nun jedoch möglich, gleichmäßige Dichten von bis zu 98% der theoretischen Dichte zu erreichen. Das Verfahren umfasst die Herstellung einer homogenen Dispersion einer Pulvermischung im Submikronbereich, die hauptsächlich aus Siliziumkarbid mit einem borhaltigen Zusatz besteht, und die anschließende Formung dieser Pulvermischung zu Grünkörpern, bevor sie bei 1900 bis 2100 Grad Celsius unter kontrollierten Atmosphärenbedingungen gesintert wird.

Borhaltige Zusatzstoffe sollten beim Mischen des Pulvers in einer Menge zugegeben werden, die einem Gewichtsteil elementaren Bors pro 100 Teile Siliciumcarbid entspricht, um eine sichere Verdichtung ohne Entmischung an den Korngrenzen zu erreichen.

Physikalische Dichte

Siliciumcarbid (C-Si) ist ein künstliches Material, das aus Kohlenstoff (C) und Silicium (Si) besteht. Es hat nach Borkarbid mit 9 die zweithärteste Mohs-Härte und bietet außergewöhnliche Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit; es kann sogar Flusssäure und Schwefelsäure standhalten, ohne zu korrodieren - und Wasser, die meisten Chemikalien einschließlich Alkalien können es nicht auflösen! Die Vielseitigkeit von Siliziumkarbid als technischer Werkstoff macht es auch bei Wissenschaftlern beliebt.

Da es Hochgeschwindigkeits-Schneide- und -Schleifvorgängen standhält und auch für Strahl- und Bearbeitungsanwendungen verwendet werden kann, wird Schmirgel aufgrund seiner Haltbarkeit und Kosteneffizienz häufig für moderne lapidare Arbeiten eingesetzt. Darüber hinaus dient er als wichtiges Rohmaterial für die Herstellung von Schleif- und Poliermitteln.

Siliziumkarbid hat sich aufgrund seiner hervorragenden Haltbarkeit und Strahlungsbeständigkeit zu einem der wichtigsten Werkstoffe in der Raumfahrttechnik entwickelt. So sind Spiegel aus Siliziumkarbid die erste Wahl für einige der größten Teleskope wie die Herschel- und die BepiColombo-Mission. Sie können sogar zu starren Rahmen verarbeitet werden, die den auf der Venus herrschenden Temperaturen und Strahlungswerten standhalten, die die Erwartungen übertreffen.

Jüngste experimentelle Beweise zeigen, dass a-SiC in seiner B1-Phase über einen weiten Bereich von Bedingungen stabil ist, die den erwarteten Mantelbedingungen kohlenstoffreicher Exoplaneten entsprechen, im Gegensatz zu seinem Verhalten auf der Erde, wo es sich schnell in Kieselsäure und Sauerstoff zersetzt.

Chemische Dichte

Siliciumcarbid, allgemeiner als SiC bezeichnet, ist eine chemische Verbindung aus Silicium (Ordnungszahl 14) und Kohlenstoff (Ordnungszahl 6). Es hat ein grün bis bläulich-schwarz schillerndes Aussehen und ist nicht brennbar; seine Dichte beträgt 3,21 Gramm pro Kubikzentimeter.

Siliciumcarbid kommt in begrenzten Mengen natürlich in Meteoriten, Korund- und Kimberlitvorkommen vor; das meiste in elektronischen Geräten verwendete Siliciumcarbid wird jedoch synthetisch hergestellt. Edward Acheson stellte Siliciumcarbid erstmals 1891 synthetisch her, als er versuchte, künstliche Diamanten zu erzeugen, indem er Ton und Kokspulver in einem Lichtbogenofen erhitzte; dabei bemerkte er hellgrüne Kristalle, die wie Diamanten aussahen und an Kohlenstoffelektroden hingen, und nannte diese Kristalle nach der Art des Steins, dem sie ähnelten, "Moissanit".

SiC ist ein Halbleitermaterial mit einer extrem breiten Bandlücke, wodurch es bei höheren Temperaturen und Spannungen als andere Halbleitermaterialien arbeiten kann. Aufgrund seiner ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit erfolgt die Wärmeableitung schnell, während seine dichte kristalline Struktur eine hervorragende Verschleißfestigkeit bietet - perfekt für Anwendungen wie Schneidwerkzeuge.

Die EAG Laboratories verfügen über umfangreiche Erfahrungen in der Analyse von SiC, sowohl mit Bulk- als auch mit ortsaufgelösten Analyseverfahren. SiC ist ein äußerst nützliches Material für die Herstellung von Halbleitern, da es mit verschiedenen Elementen dotiert werden kann, um seine elektrothermischen Eigenschaften zu verändern. Die Sicherstellung der Konzentration und der räumlichen Verteilung der Dotierstoffe bei gleichzeitiger Eliminierung unerwünschter Verunreinigungen ist für die Herstellung hochwertiger Halbleiterprodukte von größter Bedeutung.

Thermische Dichte

Siliziumkarbid ist ein extrem dichtes Material und eine der härtesten Substanzen, die es gibt. Es bietet eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit als keramisches Material, das möglicherweise die aktiven Kühlsysteme in Elektrofahrzeugen reduzieren könnte.

Siliziumkarbid (SiC) ist ein kovalent gebundener hellgrauer Feststoff mit der relativen Härte von Diamant auf der Mohs-Skala. Feuerfeste Materialien mit diesen Eigenschaften sind ideal für den Einsatz, da SiC einen hohen Schmelzpunkt, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und niedrige Wärmeausdehnungsraten aufweist.

Siliziumkarbid kann mit Stickstoff oder Phosphor dotiert werden, um einen n-Typ-Halbleiter zu bilden, oder mit Beryllium, Bor, Aluminium und Gallium dotiert werden, um einen p-Typ-Halbleiter zu bilden. Aufgrund seiner großen Bandlücke kann es dreimal höhere Spannungen verarbeiten als herkömmliche Silizium-Halbleiter. Siliziumkarbid hat sich aufgrund seiner breiten Verwendung als Material für elektronische Bauteile zum bevorzugten Material für die Herstellung elektronischer Geräte entwickelt.

Natürliche SiC-Vorkommen gibt es in bestimmten Meteoritenproben, Korundvorkommen und Kimberlit, aber das meiste industrielle SiC wird synthetisch hergestellt. SSiC- und SiSiC-Varianten gehören aufgrund ihrer thermischen Eigenschaften zu den am häufigsten verwendeten Werkstoffen für anspruchsvolle Anwendungen wie 3D-Druck, Ballistik, chemische Produktion und Energietechnik sowie für Komponenten von Rohrsystemen. Ihre höhere Dichte als reiner Quarz macht diese Verbindungen zu einem attraktiven Metallersatz und sie bieten gute Steifigkeits-, Härte- und Hochtemperaturbeständigkeitseigenschaften, die mit den thermischen Eigenschaften von reinem Quarz konkurrieren, was diese Verbindungen zu attraktiven Metallersatzalternativen macht.